基于接近開關的電動變槳系統葉片角度校準方案

王振威 劉佳偉

（固安華電天仁控制設備有限公司，河北 廊坊 065500）

0 引言

隨著世界能源與環境問題日趨嚴重，風能已成為使用最為廣泛和發展最快的可再生能源之一[1-2]。風電機組葉輪直徑已呈現尺寸不斷增大的趨勢[3]，僅陸上機型，已由1.5MW機組72m提升到當前3.XMW機組156m。隨著風電機組葉輪直徑的不斷增大，葉片角度校準方案的可靠性與準確性受到越來越多的關注。

1 變槳系統介紹

1.1 變槳系統功能與分類

變槳系統是變速恒頻風電機組的重要組成部分，其功能是在額定風速附近，依據風速的變化實時調節葉片角度，控制吸收的機械能，在保證獲得最大能量（與額定功率對應）前提下，減少風力對風電機組的沖擊[4]；在停機時，變槳系統將槳葉調整到順槳位置，實現空氣動力學制動剎車，使風電機組安全停運。

目前，在變槳系統技術路線方面，國際上存在液壓和電動兩種技術體系。液壓變槳系統是通過控制液壓單元的液壓缸驅動連桿裝置來推動槳葉，以實現變槳[5]。電動變槳系統則是通過減速機構和傳動裝置，由伺服電動機來推動槳葉以實現變槳[6]。

1.2 電動變槳系統的構成

電動變槳系統一般包括伺服電動機、控制器、電動機驅動器、不間斷電源、變槳減速機、傳感器等[7]，其中傳感器主要分為限位開關、接近開關和冗余編碼器。

電動變槳系統工作時，可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）控制系統根據風電機組主控所給的位置或速度指令控制伺服驅動器進行輸出，伺服驅動器將轉矩和轉速信號轉化為電流和頻率信號進一步控制伺服電動機運行，伺服電動機通過減速機實現高轉速、低轉矩向低轉速、高轉矩的轉變。最終，變槳減速機齒輪通過與葉根軸承的嚙合，控制葉片實現角度變化[8]。

1.3 葉片角度校準的意義

變槳電動機通過減速機與葉根軸承相結合，形成一種可靠的機械連接方式，在風電機組服役過程中，葉片角度會頻繁變換以適應實時變化的風速，同時伴隨著機械連接的磨損。磨損后的減速機或軸承將引起三支葉片角度不一致，造成風電機組氣動不平衡現象。據現場應用發現，氣動不平衡將會影響風電機組發電效率，也會產生風電機組額外問題，例如會對變槳系統、傳動鏈、偏航系統等關鍵部件帶來損傷[9]。所以，準確的葉片角度校準技術對風電機組的安全運行有著至關重要的意義。

1.4 葉片角度校準技術簡介

針對葉片角度校準，變槳廠商需要解決兩方面的難題：①校準方案需要長期有效，即能夠在設計壽命20年內準確地檢測出預定的角度偏差；②校準方案需要考慮足夠的設計裕量，確保變槳系統具備一定的容錯機制，避免由于角度校準故障誤報而導致風電機組停機。

當前，電動變槳系統采用的葉片角度校準技術主要有冗余編碼器方案和接近開關方案。兩種方案會在變槳系統電動機的末端安裝絕對值編碼器[10]，并將該編碼器的反饋值稱為默認角度值。此外，為校準葉片實際角度，在葉根軸承上安裝傳感器（冗余編碼器或接近開關），該傳感器反饋值稱為校準角度值。當變槳系統中默認角度值與校準角度值偏差超過設計極限時，系統將報故障。

1.5 葉片角度校準技術現場應用情況

隨著國內風電行業的不斷市場化，整機廠家為提升風電機組性能品質，對變槳系統可靠性進行了明確的定義。根據國標GB/T 2900.99—2016《電工術語 可信性》，定義了平均故障間隔時間（mean time between failure, MTBF），其統計計算方法為（不含故障處理時間）

根據現有我公司已并網的一萬余套變槳系統，2016年前并網且變槳系統MTBF低于24個月的風場，總故障中有14.6%的故障為葉片角度校準故障誤報導致。

2 基于接近開關的葉片角度校準方案

風力發電技術在中國發展已近十余年，基于冗余編碼器的葉片角度校準方案最早進入市場，并被業內所接受。但隨著國內風電平價上網政策的逐步推進，冗余編碼器物料成本高、現場維護難度大的問題被進一步放大。因此，本文提出了更為優化的基于接近開關的角度校準方案，其具體設計過程如下。

2.1 葉片角度范圍預估

GH Bladed為一款工業級的風電機組仿真計算軟件，可為風電機組的設計與控制提供可參考的解決方案[11]。結合GB/T 18451.1—2012《風力發電機組 設計要求》，以某廠家2.5MW140機組為例，可將設計載荷工況中正常發電工況（選取DLC1.2，正常運行風電機組壽命期內仿真載荷數據[12]）的葉片角度信息進行匯總，得到葉片角度運行范圍主要在0～20°之間，具體如圖1所示。

圖1 正常發電下葉片角度分布

根據圖1概率分布，結合風電機組停機位置，本文選取葉根軸承上0°、15°、88°安裝接近開關進行葉片角度校準測試。

2.2 接近開關角度讀取

由于風電機組在并網前會確認葉片軸承與葉片角度零位標尺是否正確，因此本文默認并網前葉片角度值正常，葉根軸承與減速機狀態為初始未磨損狀態。

試驗中在葉根軸承停機位置安裝金屬擋塊，可隨葉片一起轉動，調節金屬擋塊與接近開關位置，使接近開關在電動機自帶編碼器（或旋轉變壓器）反饋位置0°、15°、88°范圍時被觸發，具體角度讀取步驟如下：

（1）將葉片角度調整至停機角度（一般90°）。

（2）葉片由停機位置向負角度方向運行。

（3）葉片由停機位置向負角度運行過程中，記錄三個接近開關的被觸發瞬間的角度值，分別為onα、βon、θon（°）。

（4）在記錄以上三個角度值后，葉片由負角度向停機角度運行。

（5）葉片由負角度向停機角度運行過程中，記錄三個接近開關的被觸發瞬間的角度值，分別為αoff、βoff、θoff（°）。

（6）根據以上步驟，得到三個接近開關將被觸發的角度范圍，分別是[αoff,αon]、[βoff,βon]、[θoff,θon]。

2.3 基于接近開關的角度校準邏輯

在得到三個接近開關被觸發角度范圍后，變槳系統將對應觸發角度值保存至系統內掉電保存區。此后，葉片每次經過對應角度范圍時判斷是否檢測到對應的接近開關信號，基于接近開關的角度校準邏輯如圖2所示。

圖2 基于接近開關的角度校準邏輯

3 角度校準方案的測試與優化

3.1 角度校準方案的測試

根據以上步驟，對實際葉片讀取三個接近開關對應角度值。

1）當接近開關與金屬擋塊之間的正對距離保持基本一致時，三個位置接近開關的被觸發角度范圍較為穩定，基本在2.3°～2.5°之間，具體見表1～表3。

表1 0 °位置接近開關角度讀取值

表2 15 °位置接近開關角度讀取值

表3 88 °位置接近開關角度讀取值

2）保持相同采樣頻率（20ms采樣一次）下，對同一接近開關進行測試，當增大葉片轉動速度后，接近開關的被觸發角度波動增大，如圖3所示。

經確認，該現象為設備采樣周期與轉速共同影響的結果，即接近開關被觸發時刻位于前后相鄰兩個采樣周期之間導致，被觸發角度的偏差公式為

式中：λ為被觸發角度的偏差（°）；T為采樣周期（s）；v為葉片轉動速度（°/s）。

3）保持相同采樣頻率，以同一葉片轉動速度在高、低溫下測試，接近開關被觸發角度范圍發生飄移，如圖4所示。

3.2 角度校準方案的優化

根據以上測試結果，由于受接近開關固有特性、環境溫度、采樣周期及葉片轉動速度的影響，若以[αoff,αon]、[βoff,βon]、[θoff,θon]來定位三個接近開關的角度范圍，將在后續每次校準中產生偏差。因此，本文提出對應的修正方案，優化步驟具體如下。

圖4 不同溫度下接近開關被觸發角度

1）通過葉片最大的轉動速度及變槳系統的采樣周期，根據式（2），得到速度差異下最大的被觸發角度偏差λmax，即

式中：λmax為速度差異下最大的被觸發角度偏差（°）；T為采樣周期（s）；vmax為葉片可設定的最大轉動速度（°/s）。

2）以葉片最大的轉動速度，進行高、低溫測試。以0°位置接近開關為例，根據每次讀取的觸發角度αoni、αoffi，匯總計算得到不同溫度下被觸發角度的最大偏差，即

式中：?onmax和?offmax為對應葉片運行方向下，被觸發角度的最大偏差（°）；?max為最高葉片轉動速度下由于溫度差異導致的最大被觸發角度偏差（°）。

3）以0°位置接近開關為例，根據以上步驟，可進一步限定接近開關的角度校準范圍為[αoff+?offmax,αon??onmax]。

4）根據步驟3），若在角度范圍[αoff+?offmax,αon??onmax]內未檢測到0°接近開關被觸發，則可判定為葉片角度存在偏差，需要校準。由步驟1）可知，本方案的校準精度可達到λmax+?max以內。

3.3 角度校準方案的現場實測分析

根據以上校準方案，選用OMRON品牌EM—X8B1—M1型號接近開關，以2.0MW12X機組為試驗樣本，選取新疆哈密與吉林通榆現場機組進行方案驗證，接近開關與金屬擋塊實物安裝如圖5所示。

圖5 接近開關與金屬擋塊實物安裝圖

1）新疆哈密風場，測試期間風機輪轂內環境溫度在?7℃～15℃范圍內，以同一葉片轉速（6°/s），20ms采樣周期進行測試，取0°接近開關數據見表4，角度范圍在2.359°～2.493°。

表4 新疆哈密風場0°接近開關角度讀取值

根據式（3）可知，在以上測試條件下，由于葉片轉速與采樣周期原因，可能造成的最大角度偏差為0.12°。

根據式（4）與式（5）可知，?onmax為0.143°，?offmax為0.176°，其中包含溫差與轉速共同造成的被觸發角度偏差。

根據不同溫度下角度數據可知，溫度的差異造成了接近開關感應距離的變化，從而進一步影響對應的被觸發角度范圍。

2）吉林通榆風場，測試期間風機輪轂環境溫度為?12℃，以不同葉片轉速2°/s、4°/s、6°/s，20ms采樣周期進行測試，取0°接近開關數據見表5，角度范圍基本穩定在2.103°～2.231°。

表5 吉林通榆風場0°接近開關角度讀取值

根據式（3）可知，相同采樣周期但不同葉片轉速下，被觸發角度偏差的λmax值將隨著葉片轉速的提高而增大，2°/s～6°/s對應的λmax值在0.04°～0.12°。

結合以上實測數據，葉片轉速在2°/s下?onmax值為0.012°，?offmax值為0.008°；葉片轉速在6°/s下?onmax值為0.085°，?offmax值為0.019°。實測結果在計算對應的λmax范圍以內。

4 結論

根據以上測試結果，使用基于接近開關的葉片角度校準方案，在各工況下的被觸發角度范圍較為穩定，在測試和使用上具備可行性。其中，接近開關具體位置的安裝需要結合設計載荷數據進行定位；接近開關被觸發角度范圍，在實際使用中需要獲取最大被觸發角度偏差量加以修正。